儲氣庫掩埋井口精確磁定位技術(shù)

車陽 方明星 賀夢琦 王辰龍 黃洋 王開龍

摘要：在建設(shè)地下儲氣庫時，首先應(yīng)確保儲氣庫的密封性，要確定廢棄掩埋老井的位置并對其進(jìn)行封堵，常見測量手段存在一定的誤差和不確定性。為此提出一種掩埋井口精確磁定位技術(shù)，通過主動激發(fā)掩埋井口周圍的磁場分布特征，結(jié)合反向散射信號提取解算，實(shí)現(xiàn)精確測量和定位。硬件系統(tǒng)主要由發(fā)射器、接收器和計(jì)算裝置組成，采用信號提取、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、平面定位、垂向定位等定位算法可以鎖定被埋井口位置，同時從算法方面分析了絞車、回路、發(fā)射器等可能會對磁定位結(jié)果產(chǎn)生的干擾。該技術(shù)應(yīng)用于遼河油田國家級自然保護(hù)區(qū)的橋下S 井定位作業(yè)中，共鉆進(jìn)4 口淺井，交替測量2 次后成功鎖定S 井井口位置，隨后一次開挖成功，與測量坐標(biāo)的誤差小于0.5 m。該技術(shù)解決了長期困擾油田的儲氣庫無法順利建庫的難題，為掩埋井口精確定位提供了可靠思路，具有指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：儲氣庫；掩埋井口；磁定位技術(shù)；反向散射信號；精確測量

中圖分類號：TE243 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A

0 引言

地下儲氣庫是持續(xù)提升儲氣調(diào)峰能力，保障天然氣安全供應(yīng)和國家能源安全的重要舉措之一［1］。在建設(shè)儲氣庫前，首先要對掩埋井口進(jìn)行封堵，使其完全密封，以確保儲氣庫的安全性［2］。然而，在現(xiàn)場作業(yè)中，部分廢棄老井長年缺乏管理，井口受河流改道、建筑施工的影響，導(dǎo)致其具體位置無法確定，因而無法進(jìn)行封堵，這嚴(yán)重影響了地下儲氣庫的建設(shè)［3］。掩埋井口位置的精準(zhǔn)定位是目前亟需解決的問題。

針對這一問題，國外最先采用磁定位技術(shù)提高定位精度，Jamie 等［4］利用磁測距技術(shù)對廢棄掩埋井口進(jìn)行精準(zhǔn)定位并成功封堵；Veloski 等［5］通過在直升機(jī)上使用磁定位技術(shù)，找到了賓夕法尼亞州西部Marcellus 地區(qū)的掩埋老井；Julian 等［6］通過多通道面波分析和面波后向散射分析， 在美國Kansas 地區(qū)成功找到掩埋礦井。國內(nèi)電磁探測定位在救援井設(shè)計(jì)中也有應(yīng)用［7］，但是磁測距技術(shù)定位掩埋井的案例并不常見，早期主要是根據(jù)地下介質(zhì)的物性差異，對覆蓋層下的目標(biāo)物進(jìn)行探測［8］，主要方法有高密度電阻率法［9］、音頻電磁法［10］、探地雷達(dá)法［11］、微重力測量［12］等。劉正等［13］利用瞬變電磁法，向地下發(fā)射電磁波，通過觀測斷電后的二次場成功找到掩埋礦井，但該方法會受到其他設(shè)備的電磁干擾，容易檢測到虛假信號［14］；馬為等［15］使用高密度電阻率法和微重力測量方式尋找掩埋井口，但是觀測結(jié)果受體積效應(yīng)影響會產(chǎn)生偏差，在無異常部位也發(fā)現(xiàn)了另一井口，探測精度有待提高；楊肖迪等［16］使用淺層地層剖面儀和磁力儀進(jìn)行水下井口探測實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明探測井口與給定井口坐標(biāo)偏差約2 m，定位精度有待提高。井間電磁法作為一種常用的探測方法，國內(nèi)外學(xué)者也對其進(jìn)行過相關(guān)研究，該方法是通過利用電磁波信號進(jìn)行成像并探測井間物理性質(zhì)的地球物理方法，主要包括井間無線電磁波成像、跨控雷達(dá)和井間電磁成像［17］。使用井間電磁法不但可以解決地面電磁法探測深度和分辨率受限的問題，還在保證高分辨率和高精度的基礎(chǔ)上加大了探測深度。它的井間探測距離與發(fā)射、接收井是否有套管有關(guān)，目前裸眼井對裸眼井的探測距離可達(dá)1 000 m，套管井對套管井的探測距離只有100～200 m，但未見用于掩埋井口定位場景［18］。

國內(nèi)磁定位技術(shù)在現(xiàn)場應(yīng)用上面臨一些挑戰(zhàn)，例如地面與鄰井套管會產(chǎn)生磁干擾，影響磁信號強(qiáng)度，導(dǎo)致定位精度降低［19］；但油田現(xiàn)場對掩埋老井的定位精度要求高，有些要求誤差在±0.5 m 以內(nèi)，在現(xiàn)場環(huán)境、干擾因素影響下，實(shí)現(xiàn)厘米級精準(zhǔn)定位具有一定的挑戰(zhàn)性。地下磁定位可以有效避免地面的干擾，應(yīng)用在國內(nèi)油田掩埋井口定位作業(yè)中可以實(shí)現(xiàn)高精度定位，該技術(shù)對我國規(guī)劃、建設(shè)地下儲氣庫具有重要實(shí)踐意義。

1 磁定位技術(shù)基本原理

1.1 磁定位原理

目前磁定位技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成熟，研制出無源磁導(dǎo)向工具，測量誤差小于10%，有助于在復(fù)雜井況下實(shí)現(xiàn)高精度對接，適用于油田老井封堵和治理［20］。但它的儀器存在較大測量盲區(qū)，需要加深鉆井，在較淺的掩埋井口定位中不適用。

提出掩埋井口精確磁定位技術(shù)，將工具變?yōu)榉植际?，激發(fā)掩埋井口周圍的磁場分布特征，結(jié)合反向散射信號測量技術(shù)，實(shí)現(xiàn)精確測量和定位。在上部井段下入金屬套管以封隔表層松軟地層，步驟：（1） 在掩埋井口周圍布置2～3 口淺井，分別下入接收器和發(fā)射器；（2） 發(fā)射器的發(fā)射天線激發(fā)信號，主動產(chǎn)生穩(wěn)定的磁場分布；（3） 利用反向散射信號測量技術(shù)，接收器的接收天線檢測周圍環(huán)境磁場變化；（4） 通過對比分析磁場分布特征和反向散射信號，計(jì)算掩埋井口的位置坐標(biāo)。單井磁定位原理見圖1。